太赫兹波

什么是太赫兹波？

太赫兹波，也被称为T波，是位于电磁波谱的微波和红外线之间的电磁波。太赫兹辐射通常被理解为频率范围从约0.1 THz到10 THz的电磁辐射，对应着真空中的波长从3毫米到30微米。这样的频率高于无线电波和微波，但低于红外光。由于波长在0.03毫米到3毫米的范围内，通常在1毫米以下，因此太赫兹辐射有时也被称为亚毫米辐射。此外，至少太赫兹区域的高频部分也可以被称为远红外线。

这个无线电频谱的部分具有独特的特性和属性，它们可以穿透塑料、织物、纸张和纸板等材料。有许多材料具有特殊性质，可以通过吸收线进行研究。利用这种能力，我们也许能够检测到许多生物分子、蛋白质、爆炸物、毒品等的“指纹”。

太赫兹波的起源是什么？

太赫兹技术自20世纪初就被人们所知，但由于缺乏正确生成和检测这些波的材料手段，直到三十年前才得以应用

长期以来，太赫兹辐射在科学和技术中很少被使用，主要是因为缺乏良好的太赫兹源和适合的探测器；这个频谱范围通常被称为太赫兹间隙。直到20世纪90年代，对太赫兹波的兴趣开始大幅增长，越来越多的研究人员涉足这一领域，这种情况逐渐发生了改变。

该领域的快速进展主要归功于光子学的进步，它为太赫兹波的产生、检测和调制提供了多种解决方案。这些进步增强了在太赫兹技术各个领域进行新努力的动力，快速增长的技术选择也为广泛的应用领域打开了广阔的空间。

目前，全球只有少数几家公司专门致力于制造太赫兹光谱仪，主要用于科学研究。而das-Nano则超越了这一限制，通过应用太赫兹技术提供了解决工业问题的方案。

电磁谱是什么，太赫兹波位于何处？

电磁谱从较短波长的辐射（较高频率）如伽玛射线和X射线，经过紫外线、可见光和红外辐射，到较长波长的电磁波（较低频率），如无线电波。

对不同频率或波长的电磁波进行研究和控制，在过去几个世纪中推动了重要的技术进步。其中一些进步迅速而深入地扎根，以至于我们几乎无法回忆起它们出现之前我们是如何运作的。其中一个明显的例子是利用微波波段进行无线通信，这使得手机、WIFI网络等的运作成为可能。

然而，尽管已经取得了显著的进展，但在整个电磁波谱中仍然存在着一段具有优良特性但几乎未被开发的频段：太赫兹波段。因此，频率约为10^12（correct or not?)赫兹的电磁波被称为T波或T射线。在太赫兹范围内利用电磁波谱进行研究称为太赫兹光谱学。

太赫兹波也具有极高的潜力，可以像X射线、红外波或微波一样，改变现代技术的现状。

太赫兹光谱是如何工作的呢？

为了从材料中提取信息，会将一束THz波照射到材料表面上。这束波会穿过材料，并与每个层界面相互作用。反射或透射的波被探测器收集，从中提取有关每个层的电学特性和厚度的信息。还可以从金属表面进行参考测量，以与样品测量进行比较。

由金属、介电基底和薄膜组成的多层材料与太赫兹波束相互作用。两个太赫兹波在时域中的体现，以及对应于空气-薄膜、薄膜-基底和基底-金属界面的峰值的识别。

可以通过太赫兹光谱测定的参数：

有哪些类型的太赫兹系统？

有两种类型的太赫兹系统：

无源系统完全由太赫兹接收器组成，发射器是要观察的元素或样品。它们结构紧凑，成本低，但缺乏稳健性和可靠性。

有源系统需要一个外部的太赫兹源来照亮要检查的元素或样品，以及一个接收器来检测与样品相互作用后的太赫兹波

元素或样品与THz波的相互作用将修改这些波，并利用这种修改从样品中提取信息。从逻辑上讲，这些系统在增加成本和尺寸的同时比被动系统更加稳健和可靠。其中一种最成熟的技术是使用光电天线（PC天线）作为发生器和接收器实现的。在这些系统中，非常短时间（飞秒级）的激光脉冲作用于极化天线，并施加恒定电压，从而产生THz脉冲。多年来，根据所需的工作带宽和天线辐射模式的性能要求，出现了不同的天线替代设计。为了增加辐射脉冲的功率，已经开发出不同的解决方案，例如使用大孔径发射器，称为大孔径光电发射器。

太赫兹波具有哪些特性？

太赫兹波具有几个特殊的特性，使它们非常适合于非接触式检测应用：

它们提供亚毫米级别的高空间分辨率，达到了微米单位。
它们可以穿过大多数介电材料，穿透程度约为厘米级。在这种情况下，它们可以“看到”材料表面以下的层，例如：塑料、药品、纸张、纸板、陶瓷、木材、绝缘材料、复合材料、纺织品、涂料等。这使得可以通过不同的材料检测物体、气泡和隐藏的物质，以及确定其厚度或内部缺陷。
它们可以提取关于二维材料（如石墨烯）、薄膜和大块材料的电性能信息。
它们是低能量的非电离波，因此对人体无害。

这种技术是非接触式和非破坏性的。测量速度快（少于1秒），精度高（高达1微米），可以同时获取多层系统中每一层的信息。

太赫兹光谱的国际标准

IEC TS 62607-6-10:2021纳米制造-关键控制特性-第6-10部分：基于石墨烯材料-片电阻：太赫兹时域光谱学。

DIN 50996:2020-05非导电涂层-涂层厚度的非破坏性测量-太赫兹测量方法（德文版）

VDI/VDE 5590 Blatt 1:2018-03太赫兹系统-术语和定义（德语和英语版）。

VDI/VDE 5590 Blatt 2:2022-01太赫兹系统-时域光谱学（TDS）系统（德语和英语版）。

什么使太赫兹波独特？

太赫兹波具有几个特殊的属性，使其非常适合非接触式检测应用：

它们的独特特性是能够穿透大多数电介质材料（如塑料、陶瓷、药品、绝缘材料、纺织品或木材），这为非破坏性检测（NDT）开辟了无限可能性。同时，许多材料在THz频率下表现出可识别的频率指纹，可以实现材料的识别和定量分析。这两个THz的特性相结合，引入了一种以前看不见的新方式。由于其光子能量低，它不会引起电离，完全安全，不会修改被检测物品。

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